基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的飛機部件制孔末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究

伍承旭 雷 沛 孫海龍 譚 紅 陳 強 曾 超

（①成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，四川 成都 610073；②四川省航空智能制造裝備工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610073）

隨著智能制造在全世界范圍的興起，在航空工業(yè)領(lǐng)域，飛機裝配生產(chǎn)線也在朝著自動化、智能化大步跨進，而工業(yè)機器人作為飛機裝配生產(chǎn)線中智能制造的標(biāo)志性生產(chǎn)單元，其應(yīng)用技術(shù)的成熟與否起著至關(guān)重要。目前，工業(yè)機器人主要應(yīng)用于工藝裝備焊接、飛機對合裝配以及飛機表面蒙皮自動鉆鉚。而制孔末端執(zhí)行器則是應(yīng)用于飛機表面蒙皮自動鉆鉚工業(yè)機器人的重要部件，該部件的設(shè)計結(jié)果對于鉆鉚精度有著很大的影響，而目前已應(yīng)用的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)重量過大是其中一個重要影響因素，為了能夠最大化地提高鉆鉚精度，需要對末端執(zhí)行器進行精細(xì)化設(shè)計。

關(guān)于結(jié)構(gòu)的各類設(shè)計方法在各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，主要是輕量化設(shè)計，詹建良[1]基于動態(tài)頻率響應(yīng)進行了制動盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；魏鋒濤等[2]基于徑向基組合近似模型技術(shù)開展了立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計；孫信民等[3]提出了一種鋁塑型材結(jié)合的無框架空氣處理機組箱體設(shè)計方法；張春林[4]研究了零部件開發(fā)過程中的輕量化技術(shù)應(yīng)用及成本優(yōu)化；方超等[5]基于有限元靜態(tài)分析、屈曲分析、響應(yīng)面分析開展了輕量化焊接桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；陳婧[6]就連桿運動和載荷兩方面，進行了內(nèi)燃機連桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究；而謝丹妮[7]則是利用MidasGen構(gòu)建研究模型，對高速公路收費大棚鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計進行了相關(guān)研究；王春林等[8]圍繞艙段結(jié)構(gòu)多工況、多約束的設(shè)計需求，進行了一種偏置集中力火箭艙體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法研究。此外，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與増材制造聯(lián)系愈發(fā)緊密[9-11]，解決了以往由設(shè)計到制造端的問題，為結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的蓬勃發(fā)展提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。但是，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)輕量化、優(yōu)化設(shè)計大多數(shù)都是基于初步的經(jīng)驗設(shè)計方案進行的，缺乏一定的理論支持或者存在一定的過度設(shè)計，也為后續(xù)的輕量化設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計增加時間耗費，為此，對制孔末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計之初的框架關(guān)鍵尺寸參數(shù)確定方法展開了相關(guān)研究。

1 總體設(shè)計

制孔末端執(zhí)行器是一種通過對高速電主軸、高精度導(dǎo)軌、氣缸、傳感器以及各種檢測設(shè)備的集成，以達(dá)到實現(xiàn)飛機部件自動制孔目的的精密設(shè)備。對于末端執(zhí)行器的總體設(shè)計可以分為控制設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩部分，但又不能完全分割獨立。

其中，制孔末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作主要是提供給上述成品件集成的1個平臺，如圖1所示。平臺的負(fù)載主體一般為工業(yè)機器人或復(fù)合加工機床，因此平臺必須具備以下特點：①滿足成品件安裝空間要求；②滿足結(jié)構(gòu)靜、動力學(xué)要求；③結(jié)構(gòu)緊湊；④輕量化。

圖1 制孔末端執(zhí)行器拆解圖

末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)部分是除了成品組件以外的零部件，在初步設(shè)計方案中，高速電主軸通過高精度導(dǎo)軌固連在框架組件2下方，框架組件2上方含與機器人第六軸連接的法蘭孔。成品組件中含左、右2個氣缸，用于推動壓力腳，分別固連在框架組件1、框架組件4的內(nèi)側(cè)。

1.1 材料、尺寸分布規(guī)劃

對于框架組件部分的設(shè)計工作，以往總是借助于設(shè)計人員的經(jīng)驗，尤其是框架組件的組件材料、厚度，主要基于安全性考慮，材料統(tǒng)一采用45#鋼，框架組件厚度根據(jù)經(jīng)驗判斷取值，造成的結(jié)果通常是過度設(shè)計，從而使得整體質(zhì)量偏大。因此為了將框架組件的材料、尺寸進行合理分布，需要對組件材料、厚度的組合方式進行初步分析。首先將框架組件按對稱性進行一定的簡化，如圖2所示。

圖2 對稱性簡化模型

圖2中H1、H2和H3為3類框架組件的厚度；δ1、δ2和δ3為3類框架組件對應(yīng)的材料代號。即該簡化模型中包含6個變量值，而不同變量值之間的組合方式如下：

（1）可選材料：硬鋁合金、45#鋼。即材料組合為2×2×2，共8種組合方式。

（2）可下料厚度：8 mm≤H1、H2、H3≤30 mm。在保持取整的情況下，厚度值以2 mm為1個變化刻度，則尺寸組合12×12×12，共1 728種組合方式。

顯然組合方式種類較多，數(shù)據(jù)分析量較大，給獲取滿足工藝性要求（位移、質(zhì)量）的材料、尺寸分布方式增加了相應(yīng)的難度，因此提出了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合算法來預(yù)測材料、尺寸分布規(guī)劃的方法。

1.1.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合算法可以解決大型數(shù)據(jù)擬合問題。在數(shù)據(jù)擬合中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要處理從一個數(shù)據(jù)集到另一個數(shù)據(jù)集的映射，如通過原材料價格、地價和銀行利率等因素估算房價，原材料、地價和銀行利率屬于一個數(shù)據(jù)集，在網(wǎng)絡(luò)中是輸入，房價則屬于另一個數(shù)據(jù)集，在網(wǎng)絡(luò)中是輸出。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以用來收集數(shù)據(jù)，建立和訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，并用均方誤差和回歸分析來評價網(wǎng)絡(luò)的效果[12]。

1.1.2 關(guān)鍵尺寸預(yù)測

（1）建立網(wǎng)絡(luò)模型

表1所示為以對稱性簡化模型進行靜力學(xué)計算獲取的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，材料分布代號：45#鋼-1、硬鋁合金-2。

表1 樣本數(shù)據(jù)

材料、尺寸分布規(guī)劃神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型共包含80份輸入樣本，每個樣本為5維向量，即具體以材料分布（3類框架組件材料）、位移（框架結(jié)構(gòu)相對于機器人法蘭的最大位移，并根據(jù)當(dāng)前樣本涉及的材料、厚度分布，建立實際工況下的有限元等效模型計算獲取）和質(zhì)量作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練輸入，框板厚度作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的預(yù)測輸出。建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 材料、尺寸分布規(guī)劃神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

（2）訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型

利用Matlab工具箱（nftool）進行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，訓(xùn)練結(jié)果及網(wǎng)絡(luò)模型較好。相關(guān)網(wǎng)絡(luò)模型及訓(xùn)練結(jié)果的評價指標(biāo)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)模型評價指標(biāo)

（3）材料、尺寸分布預(yù)測

基于上述獲得的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過指定使用材料，以及工藝性對末端執(zhí)行器工作狀態(tài)下的位移、質(zhì)量要求，來獲得末端執(zhí)行器3類框架組件的尺寸分布情況：

續(xù)表1

①材料：法蘭連接板采用45#鋼、其余均可采用硬鋁合金。

②位移：確保在制孔刀尖1 000 N軸向載荷下，整體最大位移量不大于0.05 mm。

③質(zhì)量：保證在機器人的負(fù)載范圍內(nèi)，框架組件的質(zhì)量控制在30 kg以下。

根據(jù)材料及工藝性要求，用于尺寸分布預(yù)測的輸入如表2所示。

表2 預(yù)測輸入

3類框架組件厚度H1、H2和H3預(yù)測輸出分別為：12.322 2 mm、17.990 9 mm 和 24.206 0 mm，取整后分別為 12 mm、18 mm 和 24 mm，均在組件下料厚度極限值域內(nèi)，單側(cè)實際質(zhì)量為17.8 kg，略大于要求值15 kg，但可在后續(xù)的輕量化設(shè)計中進一步優(yōu)化減材。

2 優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)預(yù)測結(jié)果，進行框架組件結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，主要包括框架組件的材料分布、尺寸分布。涉及材料包括45#鋼，壓力腳采用7075鋁合金，相關(guān)材料參數(shù)如表3所示。

表3 材料參數(shù)

根據(jù)初步設(shè)計方案，制孔末端執(zhí)行器的載荷、約束等邊界條件設(shè)置如圖5所示。對于末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計中的49處螺栓連接，采用參考點與接觸面耦合的處理方式。由于末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進行有限元網(wǎng)格單元劃分時，選擇了四面體單元，共劃分單元數(shù) 1 106 352 個。

圖5 制孔末端執(zhí)行器有限元分析模型

2.1 靜力學(xué)仿真分析

制孔末端執(zhí)行器屬于結(jié)構(gòu)性部件，不存在機構(gòu)運動零部件，因此對于末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析只需要進行靜力學(xué)分析即可，根據(jù)載荷及邊界條件，外部載荷壓緊力設(shè)置為最大值1 000 N以及自身重力，經(jīng)Abaqus分析計算獲得末端執(zhí)行器應(yīng)力、位移云圖如圖6所示。

圖6 框架結(jié)構(gòu)剛強度仿真

應(yīng)力云圖中顯示最大應(yīng)力發(fā)生在壓力鼻與壓力腳螺栓連接處，應(yīng)力值為44 MPa，壓力鼻材料為硬質(zhì)鋁合金7075，其屈服強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于44 MPa；位移云圖中顯示最大位移發(fā)生在載荷直接作用位置（壓力鼻），位移值為0.04 mm左右，小于飛機部件制孔工藝對末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的0.05 mm變形值要求。

2.2 輕量化設(shè)計

框架組件的輕量化設(shè)計采用Abaqus軟件中的ATOM拓?fù)鋬?yōu)化模塊，首先根據(jù)框架組件的外廓尺寸，構(gòu)建不加任何減輕槽設(shè)計的毛坯框架，但仍保留施加載荷、邊界條件所必需的幾何特征，如圖7所示，以此達(dá)到最優(yōu)、最大的減材拓?fù)涮幚斫Y(jié)果；然后再根據(jù)實際工況，施加載荷與邊界條件，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)與約束條件，建立起合理的框架組件拓?fù)鋬?yōu)化模型；最后提交分析計算，根據(jù)需要對優(yōu)化參數(shù)做出相應(yīng)調(diào)整，并進行再計算；當(dāng)獲取到理想的框架組件拓?fù)鋾r，導(dǎo)出數(shù)據(jù)至第三方三維建模軟件，進行二次建模，并將二次建模獲得的框架組件與其他制造件裝配進行剛強度校核仿真。整體設(shè)計流程如圖8所示。

圖8 設(shè)計流程圖

2.2.1 拓?fù)鋬?yōu)化

邊界條件：法蘭連接處固定約束。

載荷條件：沿壓力鼻軸線方向施加壓力F=1 000 N；沿法蘭軸線方向施加重力常量 9.8 N/kg，即自身重力。

優(yōu)化設(shè)計區(qū)域：整個毛坯框架模型，但考慮到防塵或頂部異物調(diào)入制孔末端執(zhí)行器內(nèi)部，與法蘭連接的框架組件2需凍結(jié)，即不進行拓?fù)涮幚恚匀徊捎脺p輕槽設(shè)計。

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

其中：S為框架最大應(yīng)力值。

優(yōu)化約束條件：

其中：D為框架組件的最大變形量，V為拓?fù)浜蟮目蚣芙M件，V0為拓?fù)鋬?yōu)化前的框架組件。

優(yōu)化終止條件：

其中，n為拓?fù)鋬?yōu)化迭代數(shù)，當(dāng)?shù)鷶?shù)達(dá)到100時，無論是否達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化進程自動終止。

圖9所示為框架組件拓?fù)鋬?yōu)化過程。

圖9 拓?fù)鋬?yōu)化迭代過程

2.2.2 剛強度校核

框架組件經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后，得到的結(jié)構(gòu)模型并不能直接轉(zhuǎn)化為可用數(shù)模，因此在保持拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)主要輪廓的同時，在拓?fù)鋽?shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進行了框架組件的二次建模，除框架組件2保持減輕槽設(shè)計外，其余組件均采用拓?fù)淠Ｐ停蛟摽蚣芙Y(jié)構(gòu)與實際拓?fù)鋽?shù)模存在差異，為了保證框架的可行性與可靠性，需再次對二次建模后的框架結(jié)構(gòu)進行剛強度校核，校核結(jié)果如圖10所示。

圖10 框架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)剛強度仿真

在應(yīng)力云圖中，拓?fù)浜蟮目蚣芙Y(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為42.7 MPa，相較拓?fù)淝暗目蚣芙Y(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值降低了1.3 MPa，但應(yīng)力發(fā)生位置不變；在位移云圖中，拓?fù)浜蟮目蚣芙Y(jié)構(gòu)最大變形量為0.026 mm，相較拓?fù)淝暗目蚣芙Y(jié)構(gòu)最大變形量降低了0.014 mm，最大變形發(fā)生位置也不變。此外，拓?fù)浜蟮目蚣芙Y(jié)構(gòu)相較拓?fù)淝暗目蚣芙Y(jié)構(gòu)，其質(zhì)量由35.6 kg減小到20.2 kg，減重超過40%。

3 結(jié)語

（1）在制孔工藝要求末端執(zhí)行器最大變形量不超過0.05 mm、框架組件質(zhì)量不超過30 kg的要求下，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合算法，進行了制孔末端執(zhí)行器的總體設(shè)計，經(jīng)過剛強度校核，其最大變形量為0.04 mm，滿足制孔工藝對末端執(zhí)行器變形量的要求，為了獲得更小的質(zhì)量，通過結(jié)構(gòu)分析確定了框架結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計目標(biāo)，采用有限元分析軟件Abaqus/Atom模塊進行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，以框架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值的最小化為優(yōu)化目標(biāo)；體積V≤ 0.5V0、D≤ 0.05 mm為約束條件，建立拓?fù)鋬?yōu)化模型，并將獲得的拓?fù)淠Ｐ瓦M行二次建模及其剛強度校核，從而確定最優(yōu)的框架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同一工況下的最大變形量為0.026 mm，質(zhì)量為20.2 kg，減重達(dá)43%，在質(zhì)量減輕的同時，最大變形量也降低了0.014 mm，使得框架結(jié)構(gòu)性能進一步提升。

（2）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測制孔末端執(zhí)行器框架尺寸厚度的設(shè)計方法，通過對末端執(zhí)行器模型的對稱性簡化，以此來進行靜力學(xué)分析，獲取相應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練樣本，樣本為包括3類框架組件材料、位移、質(zhì)量的5維向量，共80組樣本。最終訓(xùn)練獲得的網(wǎng)絡(luò)模型均方誤差MSE值為0.06，具備良好的預(yù)測效果。通過該網(wǎng)絡(luò)模型確定制孔末端執(zhí)行器的關(guān)鍵尺寸值，并結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法完成制孔末端執(zhí)行器的優(yōu)化設(shè)計，使得設(shè)計不再簡單依靠經(jīng)驗判斷，為末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計開辟了新思路、新方法。